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NOUVELLE

Vers une cartographie des tensions mécaniques intracellulaires ?Virgile Viasnoff

ESPCI ParisTech, CNRS UMR 7083 et MBI, National University of Singapore, 10, rue Vauquelin, 75005 Paris, France.virgile.viasnoff@espci.fr

Importance des contraintes mécaniques sur le comportement cellulaireLes stimulus biochimiques étaient consi-dérés jusqu’à la fin des années 1970 comme seuls acteurs de la régulation de l’activité cellulaire, de la morphoge-nèse ou de la différenciation cellulaire. Il est progressivement apparu que les contraintes mécaniques pouvaient elles aussi jouer un rôle de stimulus externe lors de ces processus [1, 2]. Les cellu-les sont en effet capables de sonder et de réagir aux sollicitations mécaniques exercées soit par les autres cellules, soit par leur environnement (ex. : matrice extracellulaire). L’intégration de ces sti-mulus et leur transduction en voies d’ac-tivation biochimiques sont actuellement un domaine d’étude en pleine expansion [3, 11, 12 et Benacerraf B. et al. ; Ben-chérif S. et al., ce numéro]. Par exemple,

certaines voies de régulation peuvent être activées lors de l’ouverture de pores membranaires mécano sensibles consé-cutive à l’augmentation de la tension de membrane ou bien encore par l’enri-chissement local de récepteurs et d’ef-fecteurs au niveau de la déformation du cortex. Enfin l’application de contraintes locales dans le cytoplasme conduisant à la déformation de protéines révélant des sites catalytiques ou de recrutement constitue une autre voie possible de transduction mécanochimique [13]. La capacité d’une cellule à répondre effi-cacement à une sollicitation mécanique est largement liée à la mise en tension permanente de son cytosquelette via les réseaux dynamiques de filaments interconnectés. L’existence de cette pré-contrainte permet une transmission phy-sique (donc extrêmement rapide) des sollicitations mécaniques externes qui

pourraient potentiellement être inté-grées au niveau de la membrane cellu-laire ou du nucléosquelette afin d’activer le programme de transcription génétique approprié.

Mesure des forces exercées par les cellules sur leur environnementLa sollicitation mécanique peut être elle-même exercée par la cellule afin de sonder les propriétés microrhéologiques de son environnement. Les cellules sou-ches mésenchymateuses (MSC) peuvent par exemple se différencier en neurones, myoblastes ou ostéoblastes selon la rigidité de leur substrat de culture [4]. La mesure des déformations locales de substrats élastiques a permis d’évaluer à plusieurs dizaines de nN (nanonew-tons) les forces exercées sur la matrice extracellulaire par des cellules lors de leur migration [5]. L’existence de points

de signal en se déplaçant plus ou moins, sans direction. Cette dernière se mettrait en place via un phénomène de diffusion différentielle, mais aussi en réponse aux contraintes physiques du psm des tissus adjacents. À l’heure actuelle, nous ne savons que peu de choses sur ces contraintes. Il semble donc que la compréhension des propriétés physiques de ce tissu s’avérera une étape incon-tournable pour comprendre les phéno-mènes de morphogenèse et constituera certainement un des enjeux importants en biologie du dévelop pement durant ces prochaines années. ‡Elongation of the embryo results from random cell motion

CONFLIT D’INTÉRÊTSLes auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

RÉFÉRENCES

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3. Lawson A, Schoenwolf GC. Cell populations and morphogenetic movements underlying formation of the avian primitive streak and organizer. Genesis 2001 ; 29 : 188-95.

4. Bénazéraf B, Francois P, Baker RE, et al. A random cell motility gradient downstream of FGF controls elongation of an amniote embryo. Nature 2010 ; 466 : 248-52.

5. Iimura T, Pourquie O. Manipulation and electroporation of the avian segmental plate and somites in vitro. Methods Cell Biol 2008 ; 87 : 257-70.

6. Zamir EA, Czirok A, Cui C, et al. Mesodermal cell displacements during avian gastrulation are due to both individual cell-autonomous and convective tissue movements. Proc Natl Acad Sci USA 2006 ; 103 : 19806-11.

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8. Dubrulle J, Pourquie O. fgf8 mRNA decay establishes a gradient that couples axial elongation to patterning in the vertebrate embryo. Nature 2004 ; 427 : 419-22.

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focaux d’adhésion se renforçant au cours du temps ainsi que celle de fibres de stress constituées de filaments d’ac-tine dictant la forme de la cellule a pu être mise en évidence. De la même façon, les forces d’adhésion intercellu-laire (relayées par les cadhérines) ont aussi pu être évaluées à une centaine de nN [6]. L’avènement de techniques de microfabrication ou de micropatter-ning a permis et permettra des mesures beaucoup plus fines et exhaustives des champs de forces externes appliquées par les cellules sur leur environnement.

Tensions internes et renforcement du recrutementPour s’exercer, ces contraintes externes doivent être contrebalancées par un champ de contraintes internes suppor-tées, dans le cas de l’adhésion focale, par le complexe d’adhésion (dont les intégrines) et les fibres de stress asso-ciées. Ce complexe d’adhésion exerce

une contrainte croissante sur la matrice externe ce qui a pour cause et/ou effet d’y favoriser le recrutement constant de protéines (taline, vinculine, actine, etc.) (Figure 1). Une récente étude in vitro [7] a démontré la possibilité d’un méca-nisme de régulation du renforcement de ces contraintes par l’ouverture d’un site cryptique de la taline permettant un recrutement accru de vinculine, la protéine servant de lien entre le cytos-quelette et le complexe d’adhésion. Ce mécanisme pourrait ainsi servir de trans-duction de la contrainte en une réponse chimique.

Un marqueur in vivo de la tension moléculaireAfin de confirmer in vivo l’existence de tels mécanismes de régulation, une mesure des tensions intracellulaires est nécessaire. Les premières mesures ont récemment été rendu possibles par l’utili-sation de marqueurs fluorescents mécano-

sensibles appliqués à l’-actinine [8] et au complexe d’actomyosine [9]. Un article récent publié dans Nature [10] présente le plus abouti de ces « dyna-momètres moléculaires » appliqués à l’étude de la vinculine. Ce dynamomètre est constitué d’une paire de fluoro-phores FRET1 (mTFP1 [monomeric teal fluorescent protein 1] et Venus) reliés par une chaîne peptidique dérivée d’une protéine de la soie d’araignée. Cette chaîne non structurée constitue un res-sort entropique capable de se déformer sous l’action d’une force de traction de quelques piconewton entraînant une chute du taux de transfert de fluores-cence FRET entre les deux fluorophores. En insérant cette construction entre le domaine de la vinculine se liant à l’actine et celui se liant à la taline (Figure 2), le recrutement local et le degré de contrainte exercé sur la vin-culine ont pu être déduits de la mesure du taux de transfert FRET à l’échelle d’un complexe d’adhésion unique. Les auteurs ont pu montrer que la vinculine supportait une force de traction dans le complexe d’adhésion plus importante pour les points focaux jeunes que dans les complexes d’adhésion matures en cours de désassemblage. De façon plus surprenante, ce nouveau marqueur moléculaire a permis de montrer que le recrutement et l’activation de la vinculine dépendent, non du niveau de contrainte supporté par la protéine elle-même, mais de la contrainte totale exercée au niveau du complexe d’adhé-sion. Un mécanisme d’activation et de recrutement lié à la déformation de la

1 FRET: Förster/fluorescence resonance energy transfer

Adhésionintercellulaire

Adhésioncellule-matrice

Cadhérines

Lame basale

Filament d’actineFilament intermédiaire

AdaptateurRécepteurs d’adhésionMatrice extracellulaire(ex : fibronectine)

Matrice extracellulaire

Figure 1. Complexes d’adhésion cellulaire. Représentation schématique des complexes d’adhésion intercellulaires CAM (rouge : adhe-rens junctions, bleu : desmosomes ) et extra-cellulaires CMAC (bleu : adhésion focale). Les forces de tension exercées par le complexe d’actomyosine sont représentées en rouge. Adapté avec permission de [3].

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protéine (semblable a celui décrit pour la taline) peut donc probablement être exclu.

Peut-on aller plus loin ?L’existence de marqueurs moléculai-res mécanosensibles ouvre la voie à une possible cartographie dynamique des tensions mécaniques intracellulai-res. Le marqueur décrit par l’équipe de M. Schwartz s’applique plus particuliè-rement aux protéines engagées dans des complexes d’adhésion au niveau

des membranes cytoplasmiques ou nucléaires. Pour autant, un principe similaire pourrait permettre de créer des marqueurs s’incorporant dans les filaments d’actine ou les microtubules. La connaissance de la propagation des champs de contrainte externes jusqu’au noyau permettrait par exemple de mieux cerner les procédés d’intégration des signaux mécaniques sur le profil d’ex-pression génétique des cellules. ‡Towards mapping mechanical tensions inside cells ?

CONFLIT D’INTÉRÊTSLes auteurs déclarent n’avoir aucun conflit d’intérêts concernant les données publiées dans cet article.

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in neoplastic disorganization of tissue architecture. Proc Natl Acad Sci Biol 1981 ; 78 : 3901-5.

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Figure 2. Principe du dynamomètre molécu-laire. A. Organisation supposée de différen-tes molécules dans un complexe d’adhésion focale. La vinculine est mise en surbrillance. B. 1. vinculine native ; 2. vinculine modifiée avec le dynamomètre moléculaire à faible force. La faible distance entre les fluo rophores rouge et vert permet un transfert FRET. 3. Soumis à une force de quelques picoNewton, le dynamomètre moléculaire se déplie, interdi-sant le transfert de fluorescence (adapté avec permission de [3]).

Filament d’actine

A

B

1

2

3

Paxilline

Vinculine

Taline

Intégrinesa-actinine Fibronectine

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